【Unity Shaders】學習筆記——渲染管線

【Unity Shaders】學習筆記——Shader和渲染管線

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寫作本系列文章時使用的是Unity5.3。
寫代碼之前：

1. 當然啦，如果Unity都沒安裝的話肯定不會來學Unity Shaders吧？

2. 閱讀本系列文章之前你需要有一些編程的概念。

3. 在VS里面，Unity Shaders是沒有語法高亮顯示和智能提示的，VS黨可以參考一下這篇文章使代碼高亮顯示，也可以下載shaderlabvs或NShader之類的插件使代碼高亮顯示。

4. 這是針對小白的Unity Shaders的基礎知識，如果你已經有了基礎或者你是大神，那么這些文章不適合你。

5. 由於作者水平的局限，文中或許會有謬誤之處，懇請指出。

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Shader的意思就是着色器，也就是“給物體上色”，所以Shader的作用就是計算物體最終顯示的顏色是什么。
GPU這個名詞相信大家都不陌生。它是計算機處理圖像的元件。GPU是Graphic Processing Unit（圖形處理單元）的縮寫。由於 GPU 具有高並行結構（highly parallel structure），所以 GPU 在處理圖形數據和復雜算法方面擁有比 CPU 更高的效率。我們來看一下下面兩段代碼的對比，這兩段代碼都是提取 2D 圖像上每個像素點的顏色值，第一段是在CPU上運算的C++代碼，第二段是在GPU上運算的Cg代碼：

CPU要用for循環語句遍歷像素，而GPU只要一行代碼就夠了。GPU在圖形處理方面很強大吧？
而Shader，就是GPU執行的一段針對3D對象進行操作的程序。

Shader開發語言

• HLSL: 主要用於Direct3D。平台:windows。

• GLSL: 主要用於OpenGL。 平台:移動平台（iOS，安卓），mac(only use when you target Mac OS X or OpenGL ES 2.0)

• CG：與DirectX 9.0以上以及OpenGL 完全兼容。運行時或事先編譯成GPU匯編代碼。
  CG比HLSL、GLSL支持更多的平台，Unity Shader采用CG/HLSL作為開發語言。

Unity3d里CG如何編譯

• Windows：Direct3D GPU匯編代碼

• Mac:OpenGL GPU匯編代碼

• Flash: flash GPU匯編代碼

• Ios/Android: Unity會將CG轉換成GLSL代碼
  也就是除了移動平台會把CG轉換成GLSL代碼，其余平台都是轉換成匯編代碼。

渲染管線

Shader按管線分類一般分為固定渲染管線與可編程渲染管線。
渲染管線（Rendering Pipeline）其實就是GPU渲染流程。你可以這樣理解渲染，在一個三維坐標系下，給定一個視點（即攝相機），給定三維物體、光源以及照明模式、紋理等信息，如何繪制一幅呈現在視點畫面中的二維圖像的過程。
早期GPU遵循的管線叫固定管線（Existing Fixed Function Pipeline）。
                     
（英語不太好的查下圖中每個方框里的單詞，因為我懶得在圖上標注中文了）
圖中橙色的部分是用戶可以通過GPU配置的。顧名思義，固定管線就是功能固定的管線啦。所謂的功能固定，按照我的理解，就是物體表面與光的反射、折射的算法固定，無法修改，因此物體只能表現出類似塑料的那種質感（如果你用3DMax建過模型，你會理解的），雖然可以用貼圖來彌補。固定管線只能配置“是否開啟霧效”、“是否開啟光照”、“是否開啟深度測試”等一些參數，而不能控制物體與光交互的算法。不同質感的物體，比如金屬和木頭，金屬反光強烈，看起來質感堅硬，木頭反光較弱，看起來質感較軟一些，金屬和木頭兩種材質着色的算法應該是不一樣的。總之，固定管線因為功能固定，無法在程序上對物體細節的表現給予更多更自由的控制，無法達到更多更炫酷的效果。
如今已經不再需要學習固定管線了，GPU都已經進入了2.0時代，新的顯卡都是可編程渲染管線了。
所謂的可編程，就是上面所說的功能固定的那個部分，變成可以由程序員編程控制了。這樣自由度就更大了，可以表現出更多的特效了。
先來看看可編程渲染管線的流程吧。

第一塊橙色，是Vertex Shader（頂點着色），第二塊橙色是Fragment Shader（片元着色）。這兩個部分，就是程序員可以編程的部分了。頂點着色程序，它的作用是逐個對頂點進行變換，得到物體的輪廓，然后對面上的像素進行線性插值。片元着色程序，根據檢測不同，來決定是否修正每個像素的color等信息，逐像素處理。Vertex的輸出是Fragment的輸入。Vertex是頂點變換，輸入和輸出都需要包含頂點的position信息；Fragment是色深的變化，輸出一般只有color信息。如果你是第一次接觸這部分的知識，你可能會覺得有些迷惑，不過沒關系，隨着學習的深入你會漸漸明白。你只要大致明白，定點着色器主要是對頂點進行處理，而片元着色器主要是計算像素的色彩。
其實還有其他的着色程序，但這里不會涉及，所以不會深入說明。

OpenGL渲染管線

 

 

如圖所示，這是OpenGL的工作流程圖。
關於圖中的各個過程具體都在做些什么工作，可以看看這篇 博客,講得挺詳細的，我就不贅述了。
上述的這些過程，初學者可以簡單地記為四個部分

 

頂點變換 → 圖元裝配和光柵化 → 片元紋理映射和着色 → 寫入幀緩存

可編程的部分就是頂點變換和片元着色啦。

Unity3D的四種Shader

Unity的Shader有四種：

1. Fixed function shader 屬於固定渲染管線Shader, 基本用於高級Shader在老顯卡無法顯示時的備用Shader。

2. Vertex and Fragment Shader 最強大的Shader類型，屬於可編程渲染管線。使用的是CG/HLSL語言。也就是我上面說過的兩種。

3. Surface Shader Unity3d推薦的Shader類型。它是一個代碼生成器，幫我們將重復的代碼省去了，使得編寫Shader更為容易。使用的也是CG/HLSL語言。

4. Compute Shader 這是Unity3D新增的一種。看下度娘百科對它的介紹：

Compute Shader技術是微軟DirectX 11 API新加入的特性，在Compute Shader的幫助下，程序員可直接將GPU作為並行處理器加以利用，GPU將不僅具有3D渲染能力，也具有其他的運算能力，也就是我們說的GPGPU的概念和物理加速運算。

Compute Shader 使用HLSL語言。

接下來我們就要從最簡單的Surface Shader學起。